媒体聚焦 | FRAM应用浅记——只谈创新案例

近年来随着智能三表、物联网、医疗器械及医疗电子标签、汽车后装设备、以及工业传感网络的快速增长，FRAM存储器以及FRAM微控制器的应用越来越多。似乎几年前电子工程专辑的报道还倾向于把FRAM（那时候遇到的缩写还是以FeRAM居多）作为一种新的存储方式来报道，而现在，越来越多的应用借FRAM的特性实现了自身在可靠性、性能等方面的突破。

在上周举办的2015易维讯年度ICT媒体论坛上，来自富士通半导体上海有限公司市场部经理蔡振宇先生与媒体分享了公司的FRAM产品，其中举了一些行业应用的案例尤为吸引，很多时候，一款简单的新的器件往往能为设计者的终端产品带来革命性的突破。

富士通的FRAM主要包括三大类，除了单体FRAM，另外两类是RFID FRAM和认证FRAM。本文所提到的一些创新应用，主要是基于后两类FRAM。

FRAM RFID是比较新的产品。目前市场上常用的RFID产品嵌入的是EEPROM，若是换成FRAM+RFID，读写速度会比EEPROM快很多，抗辐射性比EEPROM高的也不仅一个数量级。

下图为FRAM RFID与EEPROM RFID的比较：

使用案例一：高速收费

在高速收费领域，蔡振宇先生举了身边的案例。

在广东，有些交通的收费、公路收费卡，有朋友表示进站和出站的时候就读不出来，因为用的频率比较高，超过一百万次没办法把数据读出来，若使用FRAM RFID则不会读到极限（10的12次方我是数不过来）。

FRAM读和写的距离一样。“当您使用RFID产品的时候，写的距离比读的距离近一些，最简单的例子，您可能拿一个RFID的读写头，你读的时候距离可能做到两米，真正把信息写到RFID里可能只有一米的距离，因为他里面嵌入的是EEPROM，读的时候有一个升压，会把整个电压升到9伏、12伏才能写。RFID是要通过收集场上的电场能量写，势必需要把读头更靠近才能把电压升高，所以有这个问题在里面，造成它读和写的距离不是一样。” 蔡振宇先生解释到。而FRAM可以做到一样读和写的距离。

容量更大一点。“我们和目前常用的EEPROM比起来，RFID会大一点。市面上比较多的RFID产品都是128个bit或是512Bit，客户有需要往里面多放信息，EEPROM可能不能满足客户的需求。”蔡振宇先生表示。

使用案例二：工厂自动化和维护的应用

汽车生产线例如大众，他们每年的生产量都会往上提，因为在整个汽车生产中使用了RFID，如果要把生产线、流水线变快的话，那么RFID读取速度要变快，就需要更快的流水线运转速度。富士通的128C就成功的运用在这样的领域。

还有一个是波音飞机使用FRAM RFID，大家知道飞机过一段时间需要大修、年检，每个零件可以读取，可以把维修记录通过RFID反映出来，可以知道哪个部件要坏了，哪个部件可能有问题要更换，类似这样的工作。

使用案例三：医疗和医药

在医疗和医药中用了很多RFID新的产品，像手术台的追溯，药剂盒子，类似于穿刺、血透的管子，美国和欧洲的国家会有很多接触到医疗器械的地方，需要经过伽玛放射性消毒，FRAM对辐射有很强的耐受性。

基于FRAM的RFID可轻松通过标准医疗灭菌过程，而基于EEPROM的RFID在这一过程会被擦除。

“从目前的情况来讲，原来是美国和欧洲的要求比较多，慢慢我们看到，中国的医院和中国客户也慢慢提出此类需求。目前市场上只有我们的FRAM的RFID能够满足这些需求。” 蔡振宇先生表示。

使用案例四：冷链控制

在冷链控制中，如果您要追溯运输途中每一个节点温度的变化，如何保证整个运输途中都能在这个温度以下？就需要在整个车箱里加一个RFID的模块，实时把数据传到接收端，客户读一下就可以看出一小时运输范围内有没有超过温度系数、温度范围，拥有SPI接口的FRAM可以实现这样的应用。

有位杭州客户是做疫苗运输的，有一个集装箱柜，需要实时记录温度的系数和温度运送时的具体温度，以前是运用主动标签，一个点一百多块人民币，车里做一个wifi的节点，送到驾驶室，目的地再把节点的数据读出来。

改为富士通的方案后，一个结点是简单的MCU加温度模块加FRAM的RFID就可以了，运输到数据可以RFID五个点一读，就可以把运送的流程拿出来，给客户省了不少钱，一百多块的主动标签还是比较贵，采用我们的方案基本上可以降到一半的成本。

“我个人认为，除了冷链控制，除了常用的RFID领域，我们的标签都可以适用，由于成本上的原因，在其他的物流上，我们的标签运用少一些。” 蔡振宇先生表示。

使用案例五：打印机墨盒与内窥镜

这个案例讲的是FRAM的认证芯片。

大家可能用过佳能、EPSON的打印机，打印机只认自己的墨盒，假的墨盒它就会弹出来，提示你用了盗版的墨盒。这种打印机就是加了富士通的认证芯片。

其中的原理很简单，把芯片放在打印机里面，一个芯片放在墨盒里。打印机取墨像对暗号一样。为这种应用设计的认证芯片，里面有AES128加密的数据，出厂前就和厂商谈好，每种不同的打印机和墨盒有对应的暗号，通过这种方式进行验证，客户的知识产权可以得到保护。

因为打印机取墨是频繁的，一天要打几十次，在公司一天打几百次都有可能，EEPROM过一段时间就没办法使用了。所以FRAM的性能这个时候充分满足了客户的需求。

“我们现在在国内遇到一个客户，是做有线内窥镜，内窥镜有一个转换头，他希望那个头一定要匹配他的内窥镜片的头，于是把认证芯片加到内窥镜的头里，做到类似于墨盒的工作，自己的机器只能配自己的头。这个芯片的本身会比较简单。”蔡振宇先生表示。

附录：铁电资料

为什么叫铁电？

FRAM铁电存储器的产品，为什么叫铁电？是把DRAM和SRAM的快速读写和Random读写的特点，加上Flash和EEPROM，掉电可以继续保持数据特点相结合的Memory，又可以做到像SRAM的随机读取，又可以像Flash和EEPROM一样掉电后重要数据保存的特点。

下图可以看到FRAM内部的简单构造，从整个工艺角度是上下两层电核，最基本的区别是在于中间一层的PZT膜，把紫色的部分放大以后，边上是整个铅原子的构造，中间蓝色的是氧原子的掺杂，中间最关键，红球它是贵金属的原子，上面两个电场的作用下会上下移动，铁元素会有磁滞极化的运动，我们运用它的特点来记录。原子运行到上面我们认为是0的位置，运行到下面我们定义为1，通过判断这两个位置来判断数据是零还是1。FRAM的写周期一般是150纳秒的数量级。现在有20纳秒数量级。

（1）当一个电场被加到铁电晶体时，中心离子顺着电场的方向在晶体里移动，当离子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。 内部电路感应到电荷击穿并设置记忆体。

（2）移去电场后中心离子保持不动，记忆体的状态也得以保存。

（3） 材料本身的迟滞特性的两个稳定点代表0或1的极化值

读写次数方面FRAM至少保证10的12次方， EEPROM和FLASH都是100万次，SRAM是无限次擦写。读写时的功耗FRAM的平均值是10个微安，EEPROM、 FLASH和SRAM都是毫安级的。

下图FRAM，EEPROM，FLASH，SRAM数据写方式、写周期、读写耐久性、功耗方面的对比。简而言之：多、快、省。

铁电有多快？

在现场蔡振宇先生为大家准备了一个DEMO，把数据写到FRAM和EEPROM里，从FRAM来说，用了0.5秒去存储2兆的数据，FLASH大概用了2.9秒，EEPROM存2兆数据用了13.4秒。从这个比较来看，FRAM快速读写的速度的特点是很明显的。

FRAM性能优势

蔡振宇先生总结了FRAM的性能优势。

无需后备电池：在很多供电领域比如说数控机床和重工业很担心要实时记录机床，比如说XY轴的位置。工厂断电前要把重要数据存储下来，数据量很大的情况下，以前都是加上后备电池，用了FRAM就可以把后备电池拿掉，后备电池有很多的问题，会漏电，维修麻烦，我们可以减少维护、保养的时间，做到环保。

快速读写：IOT、物联网，很大一部分就是要做到信息数据实时、频繁的记录，FRAM可以允许大家快速、频繁的擦写。

抗辐射性：FRAM独有的特性是抗辐射性，2011年福岛海啸有核泄漏，FRAM可以抗核辐射的释放，普通的EEPROM被伽玛射线照射，数据会设计破坏。FRAM是会维持现状，我们推出RFID，它应用医疗和工业领域，需要大量辐射的场合，

基于这些特点，FRAM发展出主要的应用，包括工业类应用、汽车黑匣子、ATM等需要存储重要数据的地方，以及电梯、新能源等。